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低功耗MSP430单片机在3V与5V混合系统中的逻辑接口技术

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:低功耗MSP430单片机与传统的LSTTL、HCMOS和CMOS接口技术,特别阐述了3V器件具有5V容限的特点,介绍两种电平移位器。

    关键词:单片机 接口电路 微机硬件

MSP430超低功耗微处理器是TI公司推出的一种新型单片机。它具有16位精简指令结构,内含12位快速ADC/Slope ADC,内含60K字节FLASH ROM,2K字节RAM,片内资源丰富,有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比较器、模拟信号,有多种省电模式,功耗特别小,一颗电池可工作10年。开发简单,仿真器价格低廉,不需昂贵的编程器。
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    MSP430其特点有:1.8V~3.6V低电压供电;高效16位RISC CPU可以确保任务的快速执行,缩短了工作时间,大多数指令可以在一个时钟周期里完成;6微秒的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速,降低了电池的功耗。MSP430产品系列可以提供多种存储器选择,简化了各类应用中MSP430的设计;ESD保护,抗干扰力特强。与其它微控制器相比,带Flash的微控制器可以将功耗降低为原来1/5,既缩小了线路板空间又降低了系统成本。

MSP430具有如此多的优点,可以预测在今后会有广泛的应用。但是目前仍有许多5V电池的逻辑器件和数字器件在使用,因此在许多设计中3V(含3.3V)逻辑系统和5V逻辑系统共存,而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进,不同电源电压逻辑器件间的接口问题会在很长一段时间内存在。本文讨论MSP430与单片机中最常用的LSTTL电路、CMOS电路及计算机HCMOS电路的3V和5V系统中逻辑器件间的接口方法。理解这些方法可避免不同电压的逻辑器件接口时出现问题,保证所设计的电路数据传输的可靠性。
低功耗MSP430单片机在3V与5V混合系统中的逻辑接口技术
1 逻辑电平不同,接口时出现的问题

在混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在三个主要问题:第一是加到输入和输出引脚上的最大允许电压的限制问题;第二是两个电源间电流的互串问题;第三是必须满足的输入转换门限电平问题。器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高,低功耗MSP430单片机在3V与5V混合系统中的逻辑接口技术电流将会通过二极管或分离元件流向电源。例如3V器件的输入端接上5V信号,则5V电源将会向3V电源充电,持续的电流将会损坏二极管和电路元件。在等待或掉电方式时,3V电源降落到0V,大电流将流到地,这使总线上的高电平电压被下拉到地。这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的:不管是在3V的工作状态或是0V的等状态都不允许电流直接流向Vcc。另外用5V的器件来驱动3V的器件有很多不同情况,各种电路间的转换电平也存在不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并要有足够的容限保证不损坏电路元件。

2 可用5V容限输入的3V逻辑器件

3V的逻辑器件可以有5V输入容限的器件有LVC、LVT、ALVT、LCX、LVX、LPT和FCT3等系列。此外,还有不带总线保持输入的飞利浦ALVC也是5V容限。

2.1 ESD保护电路

3V器件可以有5V的输入容限。一般数字电路的输入端都有一个静电放电(ESD)保护电路。如图1(a)所示,传统的CMOS电路通过接地的二极管D1、D2对负向高电压限幅实现保护,正向高是则由二极管D3箝位。这种电路为了防止电流流向Vcc电源,最大输入电压被限制在Vcc+0.5V。对Vcc为3V的器件来说,当输入端直接与大多数5V器件输出端接口时允许的输入电压太低大多数3V系统加到输入端的电压可达3.6V以上。有些3V系统可以使用两个MOS场效应管或晶体管T1、T2代替二极管D1、D2,如图1(b)所示。T1、T2的作用相当于快速剂纳二极管对高电压限幅。由于去掉了接到Vcc的二极管D3,因此最大输入电压不受Vcc的限制。典型情况下,这种电路的击穿电压在7~10V之间,因此可以适合任何5V系统的输入电压。

由上述分析可知,改进后具有ESD保护电路的3V系统的输入端可以与5V系统的输出端接口。

2.2 总线保护电路

总线保护电路就是有一个MOS场效应管用作上拉或下拉器件,

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